Báo cáo đề tài giản đồ trạng thái sắt cacbon

Khái niệm về giản đồ trạng thái Fe - CGiản đồ trạng thái là biểu đồ chỉ rõ trạng thái, tổ chức của một hệ hợpkim đã cho trên hệ trục toạ độ gồm nhiệt độ và thành phần cấu tạo.. Khi thay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCMKHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

3 Nguyễn Lê Quốc Hùng 21144195

5 Nguyễn Văn Minh Tâm 21144447

TP HCM, tháng 11 năm 2022

MỤC LỤC

1 Khái niệm về giản đồ trạng thái Fe - C 2

2 Công dụng của giản đồ trạng thái Fe – C 2

3.2.1 Tồn tại trong tự nhiên 3

3.3 Sự hòa tan cacbon của sắt 4

3.4 Tương tác hóa học giữa cacbon và sắt 4

4 Giản đồ trạng thái Fe – C 5

4.1 Tọa độ các điểm trong giản đồ 5

4.2 Các đường trong giản đồ 5

4.5.3 Vi cấu trúc của hợp kim Fe _ C ở trạng thái cân bằng 9

4.6 Phân loại hợp kim Fe – C theo giản đồ 9

4.7 Cơ tính của gang, thép theo giản đồ 11

5 Kết luận về giản đồ trạng thái Fe – C 11

1 Khái niệm về giản đồ trạng thái Fe - C

Giản đồ trạng thái là biểu đồ chỉ rõ trạng thái, tổ chức của một hệ hợp

kim đã cho trên hệ trục toạ độ gồm nhiệt độ và thành phần cấu tạo Khi thay đổi thành phần và nhiệt độ, cấu tạo về pha của hệ hợp kim đã cho cũng thay đổi, do vậy tính chất của hệ hợp kim cũng biến đổi theo Giản đồ trạng thái sắt – carbon được sử dụng phổ biến và là kiến thức cơ bản nhất cùng cường cong chữ C trong nghiên cứu nhiệt luyện gang và thép Cả gang và thép đều là hợp chất của sắt và cacbon Tùy vào thành phần cacbon sẽ chia ra làm gang và thép Ngoài ra cả gang và thép đều chứa một lượng nhỏ các nguyên tố vi lượng

Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe – C phải được xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe – C với lượng cacbon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% cacbon tức là ứng với hợp chất hóa học Fe C Giản đồ pha được vẽ với trục3 hoành (trục X) là thành phần của cacbon còn lại là trục tung (trục Y) là trục nhiệt độ Cacbon tồn tại trong sắt dưới dạng xen kẽ Hợp kim hình thành kiểu mạng lập phương thể tâm và mạng lập phương diện tâm Chúng sẽ hình thành nên dung dịch rắn α, γ, và δ.

2 Công dụng của giản đồ trạng thái Fe – C

Giản đồ trạng thái có công dụng rất lớn Nó cho biết các điều kiện sau đây:

Các nhiệt độ chảy (kết tinh), nhiệt độ chuyển biến pha của hệ hợp kim với các thành phần xác định qua đó thấy được sự xuất hiện hoặc biến mất của các pha (khi nung và nguội chậm) Xác định độ chảy để biết nhiệt độ nấu chảy kim loại khi luyện, đúc; xác định nhiệt độ chuyển biến pha để định chế độ nhiệt khi nhiệt luyện, tôi, ram, rèn…

Cấu tạo pha của hệ hợp kim ở các nhiệt độ và thành phần khác nhau Cấu tạo pha của hợp kim rất quan trọng vì qua đó có thể biết được các tính chất để sử dụng và hình thức gia công hợp lý

Ngoài việc sử dụng quy tắc đòn bẩy để xác định tỷ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức Ở giản đồ này còn dự đoán được các

tính chất, tổ chức của hợp kim tạo thành ở trạng thái không cân bằng (khi nguội nhanh).

3 Sự tương tác giữa Fe – C 3.1 Cấu tử Fe

Sắt là nguyên tố nhiều nhất trên trái đất, là loại vật liệu vô cùng quen thuộc với con người Hiện nay, con người có thể luyện sắt đến mức độ tinh khiết vô cùng cao: 99.9999% Fe

Thực tế sắt được sử dụng có độ tinh khiết khoảng 99.8% đến 99.9% (sắt nguyên chất kỹ thuật, hay còn gọi là sắt am kô).

3.1.1 Cơ tính

- Giới hạn bền kéo: = 250 MN/m (MPa).b 2 - Giới hạn chảy quy ước: = 120 MN/m 0.2 2 - Độ giãn dài tương đối: = 50.

- Độ thắt tỷ đối: % = 85.ψ - Độ dai va đập: a = 3000 Kj/m k 2 - Độ cứng HB: 80.

3.1.2 Tính đa hình của Fe

Sắt là kim loại đa hình, các dạng thù hình của nó tồn tại ở nhiều nhiệt độ khác nhau:

- Graphit (cấu tạo mạng tinh thể) 3.3 Sự hòa tan cacbon của sắt

Từ kiến thức đã giới thiệu ở trên, ta biết được sắt có 2 kiểu mạng tinh thể:

Lập phương thể tâm (Fe và Fe đen) Ở lập phương thể tâmα tuy có nhiều lỗ hổng nhưng lổ hổng lại có kích thước rất nhỏ, với lỗ 8 mặt có r=0.154 dngtu, lỗ 4 mặt có r=0.221dngtu.

Lập phương diện tâm (Fe) Lập phương diện tâm tuy lỗ hỏng ít hơn nhưng lại có kích thước lớn hơn so với lập phương thể tâm, lỗ 4 mặt có r=0.225 dngtu, lỗ 8 mặt lớn hơn nhiều với r=0.414 dngtu.

Đối với cacbon, cacbon có kích thước nguyên tử nhỏ hơn sắt (rc=0.077nm, r =0.1241nm) Như vậy về cơ bản độ hòa tan củafe cacbon trong Fe và Fe đen là không đáng kể Riêng về Fe có lỗα trống lớn hơn nên dễ dàng hòa tan cacbon, tuy nhiên nguyên tử hòa tan không thể xen kẻ vào mọi lỗ hổng nên cacbon hòa tan vào sắt có giới hạn (trên dưới 10%).

Vậy sự hòa tan của cacbon vào sắt tạo nên 2 dung dịch rắn xen kẻ gồm Ferrite (kí hiệu là α hoặc F hoặc FeαC, là dung dịch rắn xen kẻ của C trong Feα) và Auxtenite ( kí hiệu là γ hoặc A hoặc Fe, là dung dịch rắn xen kẻ của C trong Feγ.

Một số khả năng hòa tan cacbon: - Feα : hòa tan 0.02%C ở 727oC - Fe: hòa tan 2.14%C ở 1147oC - Fe đen: hòa tan 0.1%C ở 1499oC Các hợp kim Fe – C:

- Fe3C (6.67%C) - Fe2C (9.67%C) - FeC (17.67%C).

3.4 Tương tác hóa học giữa cacbon và sắt

Khi cacbon đi vào các lỗ hổng tạo nên dung dịch rắn xen kẻ, nhưng lượng cacbon vượt quá giới hạn hòa tan thì nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt tạ thành Fe C Fe C được gọi là Cementite33 (còn có kí hiệu khác là Ce hay Xe) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp.

4 Giản đồ trạng thái Fe – C

4.2 Các đường trong giản đồ Đường ABCD là đường lỏng Đường AHJECF là đường rắn.

Đường ECF (1147℃) là đường cùng tinh Đường PSK (727℃) là đường cùng tích Đường ES: giới hạn hòa tan cacbon trong Fe γ

Đường PQ: Giới hạn hòa tan cacbon trong Fe α 4.3 Các điểm tới hạn

A0 - 217 là nhiệt độ chuyển biến từ của cementite, thấp hơn nhiệt độ này cementite có từ tính, cao hơn nhiệt độ này cementite mất từ tính.

A1 - 727 là đường PSK, là đường nhiệt độ mà tại đó xảy ra quá trình chuyển biến austenit thành peclit có trong các loại thép hiện nay.

A2 - 768 là điểm curi, là điểm chuyển biến từ của Ferite, từ tính tại đây sẽ biến mất nếu nhiệt độ cao hơn và sẽ tồn tại với nhiệt độ thấp hơn.

A3 – (727911) ứng với đường GS, là đường mà austenit sẽ chuyển thành ferite khi bắt đầu làm nguội và sẽ hòa tan ferite vào austenit khi kết thúc và quá trình này chỉ xảy ra trong thép cùng tích.

A4 – (13921499) là đường NJ, xảy ra sự chuyển biến γ

Acm – (727 1147) ứng với đường ES, là đường mà austenit bắt đầu tiết ra cementite khi bắt đầu làm nguội và sự hòa tan kết thúc khi nung nóng của austenit và cementite.

Trong giản đồ chỉ thể hiện 3 điểm đó là A , A13, Acm mà không thể hiện đường A , A vì các đường trên được sử dụng nhiều trong quá02 trình nhiệt luyện.

4.4 Các chuyển biến pha khi làm nguội chậm

Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 1147°C, %C của hợp kim >2,14% Sau khi làm nguội, từ pha lỏng chuyển biến thành austenite và cementite ở nhiệt độ 727°C < t < 1147°C; sau đó chuyển biến thành peclit và cementite ở nhiệt độ t<727°C Điểm C được gọi là điểm cùng tinh Chuyển biến ledeburite:

LeI: L (γ + Ce) LeII: (γ + Ce) (P + Ce)

Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 727°C, xảy ra ở các hợp kim có 0,8%<%C<2,14% và ở nhiệt độ t<727°C Điểm S được gọi là điểm cùng tích Chuyển biến peclit:

P: γ (α + Ce) 4.5 Các tổ chức hợp kim

4.5.1 Các tổ chức 1 pha

Ferite: ký hiệu là α, F hoặc Fe , có mạng lập phương tâmα khối, là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe Pha này hòaα tan được một lượng rất nhỏ cacbon, lớn nhất là 0,02%C ở 727ᵒC (điểm P) và nhỏ nhất là 0,006%C ở nhiệt độ thường (điểm Q) Theo lý thuyết, cacbon không thể chui vào các lổ hổng nên lượng cacbon hoàn tan không đáng kể này nằm ở các khuyết tật mạng, chủ yếu ở biên giới hạt Ferite có tính sắt từ nhưng khi quá 768ᵒC thì bị mất Do có ít cacbon nên cơ tính của ferrite gần như là của sắt nguyên chất Vì vậy nó có tính dẻo, dai, mềm và kém bền, Trong thực tế, khi ferrite hòa tan thêm các phi kim khác như Cr, Si, P, Mn thì sẽ trở nên bền và cứng hơn nhưng tính dẻo dai lại giảm đi Ferite có tổ chức tế vi là các hạt sáng (nền sáng).

Austenite: ký hiệu là γ, A, FeC, có mạng lập phương tâm mặt, là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ Austenite hoà tan được đáng kể cacbon, cao nhất là 2,14%C ở 1147ᵒC (điểm E) Pha này khác với ferrite ở chổ nó có tính thuận từ chứ không có tính sắt từ Austenite có vai trò vô cùng quan trọng trong biến dạng nóng và nhiệt luyện Ở nhiệt độ cao, nó mềm và có tính dẻo cao nên biến dạng nóng thép bao giờ cũng thực hiện ở trạng thái austenite (<1000ᵒC) Vì vậy, có thể thực hiện biến dạng nóng mọi hợp kim Fe-C (%C<2,14%) dù ở nhiệt độ thường nó có tính giòn và cứng khá cao Khi làm nguội austenite với các tốc độ khác nhau sẽ nhận được các hỗn hợp (mactensite) có độ cứng đa dạng, đáp ứng các nhu cầu khác nhau Austenite có tổ chức tế vi là các hạt sáng với độ đậm nhạt khác nhau (do tẩm thực) và các đường song song cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo).

Tổ chức tế vi của Ferite (a) và Austenit (b)

Cementite: ký hiệu là Ce, Fe C, có kiểu mạng phức tạp và3 chứa 6,67%C (đường DFKL trên giảng đồ Fe-C) Cơ tính của cementite là cứng và giòn, nó cùng với ferrite tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C, có tính sắt từ yếu ở nhiệt độ bé hơn 210ᵒC Có 4 loại cementite:

Cementite thứ nhất (Ce ): được tạo thành khi hạ nhiệt độI đường DC, chỉ tồn tại ở hợp kim có %C >4,3% Tổ chức tế vi của CeI là các đường thẳng thô,dể nhìn, đôi khi có thể quan sát bằng mắt thường (đại lộ cementite).

Cementite thứ hai (Ce ): được tạo thành khi hạ nhiệt độII đường ES, tồn tại ở hợp kim có 0,8%<%C<2,14% Ce khá giòn,II độ dẻo và độ dai thấp, có tổ chức tế vi dạng lưới liên tục xung quanh các hạt peclit.

Cementite thứ ba (Ce ): được tạo thành khi hạ nhiệt độIII đường PQ, vì chiếm tỉ lệ nhỏ nên khó phát hiện nên thường bỏ qua.

Cementite cùng tích: tạo thành khi chuyển biến cùng tích austenite thành peclit, loại cementite này có vai trò vô cùng quan trọng.

Graphic: tạo thành trong các hợp kim Fe-C chứa lượng silic cao, là pha quan trọng trong tổ chức của các loại gang 4.5.2 Các tổ chức 2 pha

Peclit: ký hiệu là P, [Fe + Fe C], được tạo thành từα3 austenite với 0,8%C ở 727ᵒC, là hổn hợp cùng tích của ferrite 88% và cementite 12% phân bố đều với nhau Peclit có độ cứng, bền cao song cũng có độ dai và dẻo, đáp ứng tốt các yêu cầu của kết cấu và dung cụ Có hài loại peclit:

Peclit tấm (thường gặp): có cấu trúc tấm (phiến) nằm đan xen đều nhau, có độ cứng, độ bền cao, độ dẻo dai thấp.Tổ chức tế vi là các cạch tối của cementite (ít) trển nền sáng của ferrite (nhiều).

Peclit hạt (ít gặp): có cấu trúc hạt do cementite ở dạng thu gọn nhất Có độ dẻo dai cao hơn peclit tấm nhưng độ cứng và bền lại thấp Tổ chức tế vi là các hạt cementite nằm phân bố đều trền nền sáng của ferrite.

Tổ chức tế vi của Peclit tấm (a) và Peclit hạt (b)

Ledeburite: ký hiệu là Le, (g + Ce), (P+Ce) được tạo thành từ pha lỏng với 4,3%C ở 1147ᵒC, là hỗn hợp cùng tinh của austenite và cementite Sau khi làm nguội, austenite chuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi quan sát được là peclit tấm trên nền cementite sáng Vì có nhiều cementite nên ledeburite cứng và giòn Thường chỉ gặp trong gang trắng.

Tổ chức tế vi của Ledeburite

4.5.3 Vi cấu trúc của hợp kim Fe _ C ở trạng thái cân bằng Nếu hàm lượng cacbon > 6,67% thì hợp kim rất giòn và cứng nên khó dùng được trong thực tế

4.6 Phân loại hợp kim Fe – C theo giản đồ

Một cách gần đúng khin nhìn vào giản đồ ta thấy được sự phân biệt rõ rệt giữa hai loại vật liệu này: bên trái điểm E là thép, bên phải là gang Dựa vào tổ chức khác nhau đó trên giản đồ pha ta có ba loại thép và ba loại gang khác nhau.

Thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C là loại hợp kim ngoài Fe với < 2,14%C ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác, được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ:

Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức ứng với bên trái điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối) mà các tổ chức tế vi được trình bày trong tổ chức tế vi khi phóng to Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại nhỏ này song tập trung hơn cả vào loại ≤ 0,20%C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C Theo tính toán từ quy tắc đòn bảy, khi lượng cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỷ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần ferit (màu sáng) giảm đi Nếu không chứa cacbon (hay quá ít, 0,02 - 0,05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferite, tức chỉ có các hạt sáng Với 0,10%C (hình a) phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40%C (hình b) là 1/2 và với 0,60%C (hình c) là 3/4, cuối cùng là 0,80%C) thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm) Đối với loại thép này lượng cacbon của nó được tính bằng tỷ lệ phần tối nhân với 0,80%

Thép cùng tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit.

Thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C (thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2.0 - 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai thường ở dạng lưới sáng bao bọc lấy peclit tấm.

Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích

Gang tương ứng với giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) là gang trắng, rất ít được sử dụng do quá cứng, giòn, không thể gia công cắt được Theo sự khác nhau về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau - Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3% ở bên trái điểm C, có tổ chức peclit + cementite thứ hai +

Gang trắng sau cùng tinh với thành phần > 4,3%C ở bên phải điểm C, có tổ chức ledeburite + cementite thứ nhất.

Tổ chức tế vi của gang trắng trước cùng tinh và gang sau cùng tinh 4.7 Cơ tính của gang, thép theo giản đồ

Gang: có tính giòn, giảm xóc, hấp thụ rung và tiếng ồn với nhiệt độ nóng chảy của gang là đủ làm cho phôi của bất kỳ loại hợp kim nào Nó có thể dùng để tạo nhiều hình dạng phức tạp, chi tiết máy thậm chí là đồ nội thất bằng gang vì dễ gia công, chịu mài mòn cùng với giá thành thấp.

Gang cứng, không bị co lại khi lạnh nhưng lại rất giòn vì thế dễ bị vỡ nhưng không thể uốn cong hoặc lõm khi va đập.

Thép: với tính chất nhẹ, khó đúc, độ nhớt cao Dễ uốn và tạo hình bằng tay nhưng khó nóng chảy và được sản xuất có kiểm soát nên công dụng của thép nhiều hơn so với Gang vì ta chỉ cần thay đổi

một số nguyên tố trong quá trình tạo nên thép thì cũng tạo ra được một loại thép khác với ứng dụng khác

5 Kết luận về giản đồ trạng thái Fe – C

Giản đồ Fe – C thường sẽ chỉ xét hệ Fe – Fe C khá phức tạp nó được 3 cấu tạo nên từ các giản đồ đơn giản, rất điển hình cho việc minh họa các tương tác thường gặp và sử dụng nhiều trong thực tế Do vậy nên vấn đề hiểu rõ và nắm được bản chất của giản đồ này rất quan trọng trong việc gia công, nhiệt luyện cơ khí, mang lại nhiều giá trị sâu sắc.